基于船舶与海洋工程结构极限强度的探究

基于船舶与海洋工程结构极限强度的探究

颜红丹林霁

珠海市澳龙船艇科技有限公司广东省528462

摘要：船舶在结构研发、生产以及运用的大量环节里面，为了确保它能够具备比较好的安全系数与时间更多的运用，需要对船舶的结构强实施准确无误的评价。伴随造船领域与钢铁领域科学不断发展，船舶的生产更多的运用了强度比较高的材料，在很大程度上增强了结构自身的平稳性。

关键词：船舶；海洋工程；结构；强度

引言

近年来随着海上运输行业、海洋作业平台的发展，船舶及海工平台的数量越来越多，发生的海上事故数量也逐年增多，加上船舶与海洋工程结构极限强度分析，能够全面提升船舶与海洋工程结构的合理性，找到最优化结构强度配比，从而为海洋安全作业提供重要数据制成。随着科技水平的提升和结构分析设计技术的不断进步，船舶与海洋工程结构极限强度计算和分析水平越来越高。作为船舶与海洋工程结构设计的重要环节，需要结合具体的船体模型进行分析，从而找到科学的计算分析方法。

1.结构极限强度基础内容概述

极限强度主要是指船体结构能够抵抗整体船体刚度和承载能力完全丧失的最大承受能力和水平。当船舶在运行过程中要尽可能避免受到外力作用达到极限状态，一旦到达一定程度的破坏，就要立即采取防护措施进行急救，从而避免发生海上作业事故。在对船舶与海洋工程结构设计过程中，结构极限强度计算和分析是非常重要的步骤，通常情况下对构建的船体模型，采取有限元分析的方法得到关于结构极限强度的一些基本元素，比如构建屈曲、塑形的数值，进而按照一定的原理和公式核算出结构极限强度。但是这种方式误差较大、影响因素较多，计算复杂，并且耗费时间较长，所以利用率不高。目前比较常用的分析方法是“逐步破坏法”。具体方法流程在下面进行论述，运用该方法进行计算，能够将结构极限强度的计算和分析过程更加全面地展现出来，对船体模型的计算按照横向和纵向限度分析两方面进行独立核算，并且能够通过数据限制和设定，计算出相邻的船体模型的影响情况。该方法计算方式比较简单，通过逐步分段计算和分析，进而进行整合计算，能够大大提升计算和分析的精准性。结构极限的状态分析。极限状态本身就是一种比较难以预测和分析的过程，对于结构极限状态判断，都要根据明确的特征进行确定，从而在此基础上进行分析和计算。该状态主要是指整个系统发生崩溃，结构承载功能和总体刚度完全丧失，这个状态的判定不是线性变化的过程，所以要根据整个破坏情况和结构构件刚性强度变化情况，采取逐步破坏方法进行分步计算，从而确保核算准确。

2.船舶和海洋工程结构极限强度分析

2.1加筋板的极限强度分析

船体板是船体结构的基本组成部分，研究船体结构的极限强度计算，首先得从板的极限强度计算分析开始。船体板及加筋板的极限强度研究方法从数学手段上看，可以分为解析法、半解析法和数值方法。从分析方法上可分为利用有效带板宽度概念的方法、利用试验数据回归的经验公式法和应用相关方程的方法。

Paik等研究了弹性扭转约束边界条件下板的屈曲强度特征，并得到了支撑构件沿一边或四边弹性扭转约束条件下的屈曲强度的简单设计公式。Steen等推导了双轴向压应力和侧向压应力共同作用下板的屈曲和极限强度的简化方程。Paik等推导了在双轴向压应力、边缘剪应力和侧向压应力作用下，简支板的弹性屈曲方程，后来又将残余应力考虑到屈曲设计公式中去。Yao等研究了单轴向压应力作用下焊接残余应力和初始变形对板的屈曲和极限强度的影响。大多数船级社关于船体板的弹塑性屈曲强度的计算采用的是Johnson-Osten-feld公式，该公式是通过一种修正系数的方法把塑性屈曲强度用弹性屈曲强度来衡量。Paik和Fu-jikubo等通过建立在非线性有限元方法基础上的曲线拟合得到了新的塑性屈曲强度修正经验公式。

2.2船体板架极限强度分析

船体板架是船体结构最主要的组成部分。对船体板架稳定性的计算分析，是船体结构极限强度分析的主要内容之一。早期对船体板架稳定性问题的计算分析，主要是基于经典的边界条件下进行，即假定船体板架边界是简单支持或刚性固定。但实际船体板架边界却是介于简单支持和刚性固定两种极端情况之间的弹性约束情况。船体板架结构的屈曲强度很大程度上依赖于板架边界上的约束。Svenneerud通过假定一依赖于横向骨架的固定程度的惯性矩来代替真实惯性矩的方法对约束加以考虑。有学者提出了一个考虑边界约束的分离梁解，同时还提出了计算板架边界弹性约束的方法。

有限元法可以计算各种复杂和不规则的板架。这种方法考虑了各种实际存在的复杂因素。例如，支柱的任意方式布置，各种舱口形式，桁材断面的任意变化以及各种边界条件等等。船体板架的稳定性可以采用通用有限元软件进行计算。

2.3加筋板极限强度

船舶与海洋工程结构板架纵向受压时，相邻横向骨架之间的加筋板在压缩载荷作用下往往是加强筋之间的平板首先发生局部屈曲产生弯曲应力，然后在中面力和弯矩的联合作用下塑性区逐渐扩展，平板刚度下降，最后由于平板塑性屈服或加强筋扭转屈曲导致加筋板整体垮塌。

1）加强筋之间的平板局部屈曲，当加强筋相对较强时，加强筋之间的平板首先发生局部屈曲，在加强筋和平板交界处形成塑性区；

2）加强筋侧倾扭转屈曲，当加强筋的扭转刚度较小或带板屈曲后对加强筋的约束下降时，易发生加强筋扭转屈曲；

3）加强筋腹板屈曲，当加筋板腹板的高厚比较大或带板屈曲后对加强筋的约束下降时，易发生加强筋腹板屈曲；

4）加强筋与带板一起发生类似梁柱整体失稳破坏，当加强筋和平板的刚度相差不大时，加强筋和平板一起发生梁柱屈曲；

3.船舶搁浅结构损伤分析

3.1船底肋板和扶强材的变形损伤

根据船舶与海洋工程结构极限强度分析与计算方法的假设，可以得知船体整体的纵向结构与其极限强度密切相关，所以，对于船体底部的肋板以及位于肋板上面的扶强材出现的损坏和变形不需要进行太多考虑，只需要对肋板在变形的时候发生的能量消耗进行关注即可。船舶底部的肋板变形大致可以划分为两侧和中间这两部分。肋板两侧部分对由于船体底部受到礁石的碰撞的波及而导致变形，而中间部分则是直接受到礁石的作用力而产生变形。

3.2船舶外底板和纵骨的变形损伤

当船舶出现了搁浅事故的时候，船舶的外底板的纵骨深度通常会小于礁石的对船底的撞击深度，而且由于纵骨会受到礁石的挤压和冲撞作用，直接达到整体塑形的状态，所以在船体的结构极限强度中不能发挥出任何作用。因为纵骨的结构极限强度失效，所以在计算和分析的过程中对受到损害的船舶底部的外板也由之前的多个纵向加筋板单元变换成一块横向的加筋板单元。

3.3船舶底部纵桁的损伤变形

船舶底部的纵桁在整个船体中起着支撑作用，在发生搁浅事故时，船舶底部的纵桁由于受到礁石的挤压，结构遭到破坏，导致其无法继续支撑船体结构。为解决这种问题，可以利用逐步破坏分析法来推导纵桁受力的变形情况，有助于船舶设计人员根据其变形情况加强结构建设，提高船舶整体的极限强度，保证船舶的行驶安全。

4.结束语

船体极限强度运算方式的分析也已经发展成为了船舶结构强度运算与研发里面的重点所在。然而当前船舶极限强度的运算与评价基本上当成的是研究的主要目标，急需增加研究的力度，将极限强度的运算与研究运用到船体结构的研发里面去。

参考文献：

[1]张锦飞，崔维成.三种船型结构的极限强度分析比较[J].船舶力学，2011，04：57-64.

[2]骆文刚，杨平，崔虎威，白小溪.内河船舶极限强度计算的逐步破坏法程序设计[J].中国舰船研究，2013，02：58-64.